[科普中国]-自动钻井

自动钻井就是全部钻井过程依靠传感器测量各种参数，使用计算机获取数据并进行解释和发出指令，最后由自动设备去执行，实现无人操作的自动化钻井系统1。自动钻井包括井下自动化和地面自动化两大部分，主要依靠闭环自动控制系统实现，其具有两个重大标志即自动化钻机和旋转导向钻井系统。自动钻井是未来数据油田的重要组成部分，将大幅度减少现场作业人员，显著提高钻井效率和安全性，简化井身结构，缩短钻井周期，避免安全隐患。

简介自动钻井包括地面自动化和井下自动化，前者主要指钻机自动化，后者主要指井下自动钻井系统，两个最重大的标志是自动化钻机和旋转导向钻井系统。其将地面自动化和井下自动化作为一个整体进行大闭环控制，具有双作业、连续起下钻、连续循环、连续下套管和自动控压钻井等功能2。自动钻井是未来数据油田的重要组成部分，将大幅度减少现场作业人员，简化井身结构，缩短钻井周期，显著提高钻井效率和安全性。在远程控制技术的支持下，有望实现无人钻井，避免安全隐患。自动钻井将首先应用于超深水、北极、沙漠等恶劣的工作环境，给钻井技术带来一次深刻的革命。

组成部分井下自动控制系统井下自动控制系统主要有地质导向系统、旋转导向工具系统、旋转自动导向闭环钻井系统。

地质导向系统是把测量井身几何参数与油藏特征的一系列传感器以短节 （地质导向工具）形式放置在钻井附近，测量钻头1~2m范围内的井斜、方位、地层电阻率、伽马射线等，然后通过电磁波把这些信号传给MWD，再通过钻井液脉冲信号传至地面的监控台，以便控制人员及时识别井底地面情况从而优化井眼轨迹。采用地质导向系统可精确控制井下钻具的最佳目标，使井眼避开地层界面和地层流体界面，使井眼始终位于产层内。

旋转导向工具系统是以井下旋转工作方式的闭环自控执行工具（典型代表是偏心变径稳定器）为导向工具，以MWD（或智能钻柱）为信息传输通道和地面信息处理软件系统组成的钻井工具系统，在海上大位移钻井中获得广泛应用，但由于工具位置所限，缺少近钻头的地质参数测量。

旋转自动导向闭环钻井系统是一种智能化的定向钻井系统，它是依靠信息流闭环系统实现的。旋转自动导向闭环钻井系统包括由井下导向工具、MWD/LWD 等先进测量仪器及井下自动控制系统形成的井下旋转自动导向系统，地面监控系统，以及将井下闭环自动导向系统和地面监控系统联系在一起而形成的井下旋转自动导向系统和地面监控系统联系在一起而形成全并闭环控制的双向通讯技术。该系统完全抛开了滑动导向方式，而以旋转导向钻井方式，自动、灵活地调整井斜和方位， 提高了钻井速度，钻井安全性和轨迹控制精度，适合开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井等特殊工艺井导向钻井的需要1。

地面自动控制系统地面自动控制系统主要是自动化钻机。

自动化钻机采用自动化管理，仅需1名操作工便可通过计算机控制完成所在钻进，起下钻和钻杆排放等作业。使用自动化钻机可在井场中心线上实现套管、钻柱和钻具组合的自动装卸，整个过程不需人干预和更换装置（如绞车、转盘、扭转仪、卡瓦装置、顶驱和瓶颈升降机等均可以在钻台上通过计算机来远程控制）。自动化钻机具有很高的可靠信、先进性、适应性和经济性，特别适于在环境条件和地质构造相当恶劣以及钻井费用相当高的地区钻井。

地面钻机自动化除全自动化石油钻机以外，还有钻机系统的部分自动化，主要包括顶驱和自动送钻等。顶部驱动钻井装置（以下简称顶驱装置）是一种从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿专用导轨向下送钻，完成钻柱旋转钻进、循环钻井液、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。使用顶驱装置能显著提高钻井作业的能力和效率。

自动送钻就是使钻头对井底的钻压保持设定的恒定值即可控值，实现这一目标的手段是控制主滚筒的刹车，适时向井底送进钻头。 自动送钻的基本原理就是由死绳锚感知大沟载荷，与输入的设定钻压对比，对比结果送入中央处理器处理，由中央处理器控制刹车装置的控制系统，自动控制游车钩和钻柱的运动，实现自动送钻1。

自动钻井的应用与意义石油被喻为工业的血液，是一个国家最关键的战略物质之一，对国计民生与国防安全有重大影响。随着全球经济发展对油气资源的需求量日益增加、油气勘探开发的不断深入，能源行业对钻井装备与技术的要求越来越高。在我国，石油开采和石化工业是国民经济的主要支柱产业。随着我国工业化的发展，石油消耗增长速度远大于国内产量増长速度，而原油进口量受制于国际形势，因此提高国内原油勘探和开采能力十分重要。

作为石油天然气工业的核心施工环节，钻井是一项投资巨大的风险性工程，钻井装备的优劣直接影响着钻井速度、钻井安全和钻井经济效益，而勘探施工环境的复杂化对钻井装备适应不同操作情况的能力也提出了更高要求3。同时随着计算机、通讯及网络技术的广泛应用，钻井作业的自动化逐渐成为可能并持续发展。自动钻机更高的智能水平，能够减少人工作业，还能保证生产的安全系数。自动化生产所推进的智能化生产方式，是钻井施工的必然发展趋势，也是石油天然气工业发展的更高层次要求。自动钻井应用于超深水、北极、沙漠等恶劣的工作环境，将给钻井技术带来一次深刻的革命。

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学